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Laboratoire de Transport Electronique Quantique et Supraconductivité (Grenoble)

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Most widely held works by Laboratoire de Transport Electronique Quantique et Supraconductivité (Grenoble)
Electronic properties of diffusive three-terminal Josephson junctions : a search for non-local quartets by Andreas Helmut Pfeffer( )

1 edition published in 2013 in English and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

Pendant ce travail de thèse, j'ai tout d'abord finalisé le développement d'un système expérimental unique dédié aux études de transport électronique de nanostructures multi-terminaux de faible impédance. Ce dispositif permet des mesures de conductance et de bruit à très basse température (30 mK), avec une résolution du pico-ampère en utilisant des SQUIDs comme amplificateurs de courant. Dans le chapitre 5, je fournis une description du fonctionnement de la mesure. De plus, je décris la calibration du dispositif et la manière de déduire des quantités physiques à partir des mesures.Au Chapitre 6, je décris des mesures de transport avec des jonctions diffusives à trois terminaux (trijonctions). Dans une géométrie, que l'on appelle T-shape, des électrodes supraconductrices d'Aluminium sont connectées entre-elles par une partie centrale métallique non-supraconductrice de Cuivre. Pour ces nanostructures, on observe des anomalies de conductance à basse tension qui n'ont jamais été observées expérimentalement. Ces anomalies de résistance/conductance ressemblant fortement à l'effet Josephson apparaissant lorsque deux des potentiels appliqués à la trijonction ont une somme nulle. Les anomalies sont présentes sur une large échelle de tension sans perte d'amplitude. De-même, elles montrent une grande robustesse en température. Des expériences sous champ magnétique appliqué montrent une forte suppression des anomalies pour un champ magnétique correspondant à flux magnétique dans la partie normale de l'ordre d'un quantum de flux. Ceci indique qu'un mécanisme cohérent de phase doit être à l'origine des anomalies. Dans la littérature, deux mécanismes sont proposés pour expliquer ces effets.Le premier, nommé "mode-locking", est un accrochage dynamique des courants Josephson ac, qui est induit par l'environnement expérimental (circuit). Cette situation a été étudiée dans les années soixante sur des microstructures Josephson couplées à base de liens faibles. Pour tester cette explication, nous avons mesuré un échantillon composé de deux jonctions Josephson spatialement séparées. Les anomalies n'apparaissent pas dans une telle géométrie, pas même avec une amplitude réduite. Ceci indique qu'une synchronisation par l'environnement expérimental ne peut pas être à l'origine des anomalies observées. Le deuxième mécanisme théorique évoqué est nommé "mode de quartet" et a été proposé récemment par Freyn et collaborateurs. L'une des électrodes supraconductrices distribue alors des doublets de paires de Cooper. Chacune de ces deux paires se scindent alors en deux quasiparticles se propageant chacune vers deux contacts supraconducteurs différents. Dans un tel mécanisme deux quasiparticules, issues de deux paires de Cooper différentes, arrivent sur chacun des deux contacts supraconducteurs. Lorsque les tensions appliquées entre le contact supraconducteurs émetteur et les deux autres contacts sont exactement opposés, les phases des fonctions d'ondes électroniques des quasiparticules arrivant sur un même contact supraconducteur sont telles que ces deux quasiparticules peuvent se recombiner pour former une paire de Cooper. Par ce mécanisme le doublet de paires de Copper émis se distribue de manière cohérente en deux paires de Cooper chacune dans un contact supraconducteur différent.Ce mécanisme est favorable, car il est robuste envers le désordre et peut ainsi exister sur une large échelle de tensions.Au cours de cette thèse, j'ai montré que ces anomalies sont effectivement présentes pour des tensions appliquées correspondant à des énergies bien supérieures à l'énergie de Thouless. A contrario, les effets cohérents responsables de l'effet Josephson ac doivent être fortement atténués sur cette même échelle d'énergie, ce qui rend peu probable le mécanisme de mode-locking
Transport électronique et dispositifs fonctionnels dans les nanofils de silicium by Massimo Mongillo( Book )

2 editions published in 2010 in English and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

My thesis is devoted to the study of transport properties of Silicon Nanowires obtained by a bottom-up approach. The choice for the material system has been limited to undoped SiNWs because they are considered as the ultimate choice for ultrascaled electronic devices. For these systems, the problem of an effective carrier injection in the semiconductor is particularly important. The mechanism of carrier injection in Gate-All-Around Schottky barrier transistors was studied by temperature dependent measurements. Multiple gates are used to discriminate between different device switching mechanisms occurring either at the source and drain contacts, or at the level of the silicon channel. The gating scheme has proved be effective in suppressing the Schottky barrier enabling carrier injection at low temperature. Moreover, different electronic functionalities like p-n junctions and logic gates can be successfully implemented in such devices without the need of doping. I will describe a novel technique for the fabrication of metal silicide contacts to individual silicon nanowires based on an electrically-controlled Joule annealing process. This has enabled the realization of silicide-silicon-silicide tunnel junctions with silicon channel lengths down to 8nm. The silicidation of silicon nanowires by Nickel and Platinum could be observed in-situ and in real time by performing the experiments of Joule assisted silicidation in the chamber of a Scanning Electron Microscope. Lastly, signatures of resonant tunneling through an isolated Platinum Silicide cluster were detected in a Silicon tunnel junction. Tunneling spectroscopy in a magnetic field revealed the Zeeman splitting of the ground and the excited states
La génération de courant quantifié par des dispositifs en silicium pour la métrologie quantique by Paul Clapera( )

1 edition published in 2015 in French and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

Les pompes à électrons ont été très étudiées et fabriquées par le monde scientifique. Elles génèrent un courant continu proportionnel à une fréquence très bien contrôlée en métrologie. Dans ce contexte métrologique, des principes et matériaux divers comme la pompe en GaAs ou Silicium ou encore le tourniquet supraconducteur ont marqué les avancées. Bien que les courants générés sont toujours plus grands et précis, les exigences fixées pour la métrologie sont difficiles à atteindre et pour l'heure aucune pompe à électrons ne peut être utilisable pour la mise en pratique du futur ampère quantique qui sera probablement défini dans quelques années.Par ailleurs, des chercheurs ont créé des circuits associant des transistors FETs (transistors à effet de champ) et des transistors SETs (transistors mono-électroniques), notamment dans une optique d'une électronique très basse consommation.Cette thèse apporte une contribution nouvelle dans ces deux domaines : une nouvelle pompe à électrons en silicium a été développée, et une co-intégration de circuit CMOS classique avec un dispositif de nanoélectronique quantique a été démontré.Notre pompe à électrons repose sur le principe de deux barrières tunnel réglables et d'un îlot central. Au travers de la modulation des barrières à la fréquence f, la charge électrostatique de l'îlot central est contrôlée, un courant continu I=ef est généré; et ceci même avec une tension nulle aux bornes de la pompe. Nos pompes à électrons utilisent la technologie nanofils silicium-sur-isolant développée par le CEA-LETI. Le nanofil est recouvert de deux grilles (2 MOSFETs en série) pour les barrières réglables, et un îlot de Coulomb métallique de petite taille est « isolé » entre ces deux transistors. Nos échantillons à 100mK nous ont permis de montrer que nous étions capables de contrôler adiabatiquement l'état de charge de l'îlot quantique et de générer des courants quantifiés jusqu'à 900MHz. Nous avons aussi fabriqué les premières pompes à électrons en lithographique optique uniquement, avec pour ces dernières une fréquence maximale de pompage de 300MHz.Notre technologie de fabrication de SETs à grande échelle repose sur une réduction des tailles. Ces techniques n'ont que très rarement été couplées avec des circuits CMOS conventionnels mais fonctionnant à basse température. L'intérêt d'une telle co-intégration est grand dans le domaine de l'information quantique: la mise en place de beaucoup de qubits couplés pourrait nécessiter des circuits « annexes » réalisés en CMOS classique mais cryogénique.Nous avons conçu et fabriqué avec le LETI-DACLE un circuit co-intégrant un circuit oscillant composé de FETs de grandes dimensions et un circuit nanoscopique composé de SETs. Un circuit d'essai comprenant une pompe à électrons pilotée sur la puce par un circuit oscillant a été réalisé et mesuré à basse température.Nos résultats montrent que les circuits oscillants basés sur des oscillateurs en anneaux pour des applications à 300K restent fonctionnels jusqu'à 1K, malgré une très faible baisse de la fréquence d'oscillation. En parallèle, nous avons par la mesure de courant de rectification sur le dispositif nanoscopique mis en évidence que la cohabitation entre circuit FET et SET était réalisable et qu'il est possible d'imaginer un circuit complexe pour réaliser une pompe à électrons et son électronique associée sur une même puce.La conception de pompe à électrons par l'approche de la technologie SOI a montré sa viabilité, avec nos dispositifs potentiellement équivalents aux meilleures pompes crées jusqu'à présent. L'avantage du silicium et des techniques de fabrication modernes ont prouvé qu'il était possible de créer des circuits complexes alliant FET et SET pour des applications faisant intervenir des phénomènes quantiques. Ces travaux montrent le caractère prometteur de la co-intégration de circuits et ouvre la voie à de plus amples investigations dans la réalisation des pompes à électrons en silicium
Croissance, structure et propriétés électroniques du graphène épitaxié sur rhénium, vers une plateforme bidimensionnelle et supraconductrice by Estelle Mazaleyrat( )

1 edition published in 2019 in English and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

La réalisation de structures hybrides à base de graphène, dans lesquelles le graphène est associé à d'autres matériaux, constitue une piste prometteuse pour l'étude de nombreux phénomènes. En particulier, il est possible de cette façon d'induire des propriétés dans le graphène via des effets de proximité. Ici, le système cible que nous avons considéré consiste en une plateforme de graphène quasi-flottant, au caractère supraconducteur induit, et qui est placée à proximité d'impuretés magnétiques. A la lecture d'articles théoriques parus récemment, il semble qu'un tel échantillon pourrait présenter des états de Yu-Shiba-Rusinov (YSR) non conventionnels.Bien que le système cible n'ait pas encore été fabriqué, les trois ingrédients nécessaires à sa réalisation (graphène quasi-flottant, caractère supraconducteur induit et proximité à des impuretés magnétiques) ont été abordés, et ce à l'aide d'outils de la science des surfaces.Comme cela a pu être démontré précédemment, le graphène peut être rendu supraconducteur lorsqu'il est crû directement sur un matériau supraconducteur tel que le rhénium. Des aspects structuraux liés au graphène crû sur Re(0001) ont été explorés. En particulier, nous avons montré qu'augmenter le nombre de cycles de recuit contribue positivement à la croissance de domaines de graphène étendus et de bonne qualité. La structure d'un carbure de surface du rhénium, habituellement mal comprise, a également fait l'objet d'une étude.De plus, nous avons examiné un défaut présent dans le graphène crû sur des métaux interagissant fortement, tels que le Re(0001) et le Ru(0001). Dans la structure ondulée à l'échelle nanométrique du graphène, ce défaut apparaît sous la forme d'une dépression. Sa présence a été attribuée à des défauts d'empilement se trouvant soit dans le graphène, soit dans le substrat métallique.En prenant le graphène supraconducteur crû sur Re(0001) comme point de départ pour la fabrication de notre système cible, nous avons recouvré le caractère quasi-flottant du graphène (perdu à cause de sa forte interaction avec le substrat de rhénium) via l'intercalation d'une sub-monocouche ou de quelques couches d'atomes d'or. La présence d'une forte densité de défauts, observée dans le graphène sur Re(0001) intercalé à l'or, a été attribuée au processus d'intercalation lui-même. Par ailleurs, nous avons démontré que le caractère supraconducteur du graphène, induit par le rhénium, n'est pas affecté par l'intercalation d'or. A ce stade, deux des trois conditions prévues pour la réalisation du système cible étaient remplies.A condition d'amener des impuretés magnétiques à proximité immédiate d'un tel échantillon, des états de YSR étendus sur plusieurs nanomètres devraient être observables. Des résultats préliminaires impliquant deux composés magnétiques de type verdazyl ont été présentés. L'un de ces deux composés fut déposé sur un système modèle : le Cu(111). Avant de considérer l'usage du graphène quasi-flottant et supraconducteur comme substrat-hôte de ces composés magnétiques, des études complémentaires sur des systèmes modèles sont nécessaires. Et pour cause, nous n'avons pas encore réussi à résoudre la structure exacte des assemblées moléculaires observées sur la surface de Cu(111) ; la stabilité thermique de ces composés a été mise en cause
Transport mono-électronique et détection de dopants uniques dans des transistors silicium by Mathieu Pierre( Book )

2 editions published in 2010 in French and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

Cette thèse présente une étude du transport électronique à basse température dans des transistors à effet de champ nanométriques en silicium sur isolant. Leur comportement électrique dépend notamment de la constitution des jonctions entre les réservoirs et le canal, qui est déterminée lors de la fabrication par l'utilisation d'espaceurs de part et d'autre de la grille. Cette différence de comportement est exacerbée à basse température. Dans des transistors très courts, de longueur de grille typique égale à 30 nm, compte tenu de la diffusion des dopants lors du recuit d'activation, il est possible d'obtenir sous la grille un unique donneur bien couplé aux deux réservoirs. Sa présence est révélée par de l'effet tunnel résonant à travers les niveaux d'énergie associés à ses orbitales, observé à basse température à des tensions de grille inférieures au seuil du transistor. L'estimation de l'énergie d'ionisation de ce donneur donne une valeur supérieure à la valeur attendue pour un donneur dans du silicium massif, ce qui est attribué à l'effet du confinement diélectrique du donneur. À l'inverse, il est possible de définir des résistances d'accès au canal suffisantes pour y confiner les électrons. Un transistor se comporte alors comme un transistor mono-électronique à basse température, dont l'îlot est situé sous la grille. Ce moyen de créer un transistor mono-électronique est étendu à des systèmes d'îlots couplés, en déposant plusieurs grilles entre la source et le drain. Plusieurs comportements sont obtenus selon l'écart entre les grilles et la longueur des espaceurs. Ces systèmes sont utilisés pour réaliser le transfert d'un électron unique
Spectroscopie locale à basse température dans des systèmes supraconducteurs désordonnés by Thomas Dubouchet( Book )

2 editions published in 2010 in French and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

This thesis presents a study combining tunneling spectroscopy, point-contact Andreev spectroscopy and electronic transport on disordered superconducting indium oxide samples. Transport measurements reveal a diverging resistivity from room temperature shortcut by superconductivity at low temperature. This behavior shows that our samples are in the vicinity of the metal-insulator Anderson transition. Tunneling spectroscopy highlights a rather unusual superconducting state with a pseudogap regime above the critical temperature. It evolves at low temperature into an inhomogeneous system composed of both superconducting Cooper pairs and Cooper pairs without phase coherence, localized by the disorder. Comparison between different samples shows that incoherent Cooper pairs proliferate with increasing level of disorder, what indicates that superconductor-insulator transition in indium oxide is governed by the progressive localization of Cooper pairs. Besides, using our STM, we have continuously analyzed the local conductance between tunneling regime and contact regime. Andreev spectroscopy thus reveals a new energy scale related to the superconducting phase coherence and independent from spatial fluctuations of the density of states measured in tunneling regime. This shows that disorder induces a dichotomy between the pairing energy characterizing the binding of electrons into pairs and the coherence energy specific to macroscopic superconductivity
Spectroscopie tunnel à très basse température du graphène épitaxié sur SiC by Toai Le Quang( )

1 edition published in 2016 in English and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

Les couches de graphene épitaxiées sur la face carbone du carbure de silicium sont tournées les unes par rapport aux autres. Cette rotation préserve la structure de bande linéaire du graphene mono-couche et permet un transport balistique des porteurs de charge. Parmi les propriétés intéressantes développées dans le chapitre 2, la possibilité de former de pleines couches de graphene sur le substrat isolant qu'est le SiC est un avantage majeur de cette technique comparé aux autres méthodes de croissance du graphene (exfoliation et épitaxie en phase vapeur sur métaux). Les grandes surfaces produites permettent aux expérimentateurs de faire facilement des mesures STM car la localisation de la partie utile de l'échantillon n'est pas un problème dans ce cas.Dans ce travail de thèse, j'ai réalisé la croissance de graphene sur la face carbone du SiC dans le but d'étudier la supraconductivité induite dans le graphene par la proximité d'un supraconducteur. Cette supraconductivité induite dont le principe expliqué dans le chapitre 3 se développe d'autant plus loin de l'interface que le matériau non supraconducteur possède un grand libre parcours moyen. D'où notre choix du graphene. Dans le chapitre 3 je présente aussi les efforts que j'ai mené pour fabriquer des jonctions graphene/supraconducteur par une technique de lithographie propre : la lithographie par microsphères. Cette méthode utilise des micro-sphères de silice comme masque dur durant le dépôt par évaporation d'un matériaux supraconducteur tel le vanadium. Malgré la propreté de cette méthode telle qu'avérée par les images STM des échantillons, nous n'avons pas réussi à induire la supraconductivité dans le graphene. Suite à ce résultat négatif, nous avons développé une seconde approche décrite dans le chapitre 4. Un matériau supraconducteur réfractaire, le niobium, est cette fois-ci déposé sur le substrat avant la croissance du graphene. A l'issue de la croissance, nous avons eu la surprise de constater que la température critique du matériaux supraconducteur s'était élevée de 7 à 12 K. Cela s'explique par la carburation du Niobium lors du recuit. Par ailleurs, nous avons bien démontré que des couches graphitiques sont aussi crues sur le NbC permettant ainsi de réaliser des jonctions. Néanmoins, nous n'avons à nouveau pas réussi à observer de supraconductivité induite dans le graphene.Outre les propriétés intéressantes pour l'étude de la supraconductivité induite, les couches de graphene en rotation constituent en elle même un sujet d'étude intéressant. En effet, la densité d'état de ce système présente des singularités de van Hove dont la position en énergie dépend de l'angle de rotation. Ce système ouvre donc la porte à l'étude de la physique associée à ces singularités (supraconductivité, magnétisme) à des énergies accessibles par dopage électrostatique. De plus, une localisation des fonctions d'onde électroniques a été prédite pour les faibles angles de rotation et cette localisation a été confirmée par des résultats expérimentaux préliminaires. Cependant, il manquait une étude systématique des propriétés électriques des systèmes à faible angle de rotation. Les mesures que j'ai réalisé dans ce régime sont présentées dans la dernière partie de ce mémoire. Ces mesures de spectroscopie sont comparées à un modèle de liaison fortes. Le modèle sans désordre et en présence de désordre ne permettent pas de décrire correctement les expériences menées pour des angles inférieurs à 2°. Mon travail souligne qu'une physique riche existe aux faibles angles de rotation et qu'il reste encore beaucoup de travail à faire pour la comprendre
Modulation de la supraconductivité hors équilibre avec un STM by Thomas Jalabert( )

1 edition published in 2020 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

Les performances des circuits supraconducteurs sont souvent limitées par la dynamique des quasiparticules, c'est pourquoi la supraconductivité hors équilibre suscite un intérêt de longue date. Pour sonder les mécanismes microscopiques mis en jeu dans un tel système, l'injection de quasiparticules a déjà été réalisée à l'aide de jonctions tunnel à l'échelle mésoscopique grâce aux progrès de la nanotechnologie moderne. Cependant, les jonctions tunnel lithographiées ont une résolution spatiale limitée et ne permettent pas de faire varier indépendamment la tension appliquée et le courant tunnel. Afin de surmonter ces difficultés, la nouveauté de ce travail de thèse est d'utiliser un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à très basse température (50 mK) pour moduler le courant critique de nanofils supraconducteurs en faisant varier la position de la pointe et les conditions tunnel.Dans de fins nanofils de niobium recouverts d'or, nous avons mesuré une réduction radicale du courant critique en injectant par effet tunnel un courant de quasiparticules inférieur de six ordres de grandeur. Nous interprétons cette observation par une augmentation locale de la température électronique, et suggérons également que ce même mécanisme est à l'oeuvre dans les transistors supraconducteurs à effet de champ (SuFETs). Le courant critique dépend fortement de la position d'injection dans le nanofil, du taux d'injection et de l'énergie des quasiparticules. Pour des énergies grandes devant le gap supraconducteur, la réduction du courant critique est contrôlée par la puissance injectée. Nos mesures montrent que la diffusion de chaleur par les quasiparticules et les phonons explique la dépendance du courant critique avec la puissance et la position d'injection, et permettent de sonder le couplage électron-phonon dans nos échantillons. En revanche, en diminuant l'énergie des quasiparticules à taux d'injection constant, le courant critique décroit fortement près du gap supraconducteur, ce qui montre que le modèle de quasi équilibre thermique n'est plus valide. Nous expliquons ce comportement par une fonction de distribution des quasiparticules hors équilibre et non Fermi Dirac, et ceci nous permet d'estimer le taux de relaxation des quasiparticules. Nous avons également étudié les propriétés spectrales des nanofils en présence de courant, et induit des vortex avec un champ magnétique pour créer des inhomogeneités spatiales dans la densité d'état. Nous avons ainsi mis en évidence l'effet de piégeage des quasiparticules par les vortex à l'échelle nanométrique, ce qui présente un intérêt particulier puisque jusqu'ici les seules expériences qui permettaient d'étudier la dynamique d'un système supraconducteur inhomogène sondaient nécessairement un volume macroscopique, rendant difficile l'interprétation des mesures en termes d'inhomogénéité. Par conséquent, ce travail expérimental ouvre une nouvelle perspective pour étudier la compétition entre diffusion, relaxation et recombinaison de quasiparticules dans les supraconducteurs fortement désordonnés, avec de nombreuses applications dans les domaines de la détection de photons et de l'électronique supraconductrice
 
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Alternative Names
CEA-G/INAC/PHELIQS/LaTEQS

CEA-G/INAC/SPSMS/LaTEQS

Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France). Institut nanosciences et cryogénie (Grenoble). Laboratoire de Transport Electronique Quantique et Supraconductivité

LaTEQS

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